Поглотитель кислорода удваивает точность биосенсоров для медицины и сельского хозяйства

Биосенсоры помогают людям с хроническими заболеваниями по всему миру жить лучше. Однако их точность измерений часто оставалась относительно низкой, что ограничивало возможные области применения. Исследователи из Технического университета Мюнхена (TUM) обнаружили способ повысить точность распространённых оксидазных биосенсоров с 50% до 99%, открывая путь для новых применений.

Оксидазное биосенсирование и оксидазное поглощение O₂. Автор: Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adw6133

Биосенсоры позволяют людям с диабетом самостоятельно контролировать уровень глюкозы в крови и при необходимости корректировать дозу инсулина — быстро и без лаборатории. Они также используются в других областях, но многим перспективным применениям не хватает точности. Например, измерение уровня креатинина, важного показателя функции почек, было слишком неточным. В результате, полный потенциал биосенсоров оставался нераскрытым.

Профессор электро-биотехнологий TUM Никола Плюмере, Хуэйцзе Чжан, бывший исследователь на его кафедре, а ныне профессор новых источников энергии в Нанкинском университете науки и технологий (Китай), и докторант TUM Мохамед Саадельдин решили это изменить. В лабораторном исследовании точность оксидазных биосенсоров для глюкозы, лактата и креатинина была повышена примерно с 50% до 99% — без необходимости предварительной калибровки. Лактат, к примеру, измеряют при мониторинге состояния пациентов в критическом состоянии.

Поглотитель кислорода «наводит порядок» внутри сенсора

Предыдущая неточность проистекала из принципа работы этих сенсоров. Они используют оксидазы — ферменты, которые преобразуют такие вещества, как глюкоза, в глюконолактон и электроны. Электроны передаются на электроды, встроенные в сенсор, генерируя электрический ток. Чем выше концентрация вещества, тем сильнее ток.

Проблема в том, что оксидазы передают электроны не только на электрод, но и на кислород из окружающей среды. Эти «потерянные» электроны не участвуют в формировании тока, ослабляя сигнал и заставляя измеренную концентрацию казаться ниже реальной.

Для решения этой проблемы исследователи разработали поглотитель кислорода: алкогольоксидазу, которая потребляет избыточный кислород, превращая его в воду. Ключевой момент: эта алкогольоксидаза не реагирует с целевыми веществами — глюкозой, креатинином или лактатом. После такой «чистки» остаётся минимальное количество кислорода, что позволяет основной оксидазе передавать почти все свои электроны на сенсор.

Никола Плюмере (третий слева) и его команда разработали поглотитель кислорода, преобразующий избыточный кислород в воду. Автор: Andreas Heddergott / TUM

От здравоохранения до сельского хозяйства

«Мы видим широкий спектр новых и расширенных применений и потенциал для отказа от некоторых лабораторных анализов в будущем», — говорит Плюмере. — «В персонализированной медицине эти биосенсоры могли бы помочь калибровать носимые устройства, обеспечивая более надёжные данные о здоровье, раннее обнаружение проблем и поддержку точного дозирования лекарств. Также есть потенциал в здравоохранении на базе ИИ, которое зависит от больших наборов данных, в создании которых могли бы помочь улучшенные биосенсоры».

Плюмере также видит возможности за пределами медицины и уже работает над практическими приложениями. Основываясь на исследовательском проекте LiveSen-MAP, его команда разработала тест, основанный на том же принципе, для измерения содержания азота в растениях пшеницы. Это позволяет корректировать внесение удобрений прямо на месте, предотвращая их чрезмерное использование. Для фермеров это означает снижение затрат и уменьшение воздействия на окружающую среду.

Больше информации: Huijie Zhang et al, A universal oxygen scavenger for oxidase-based biosensors, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adw6133

ИИ: Это исследование — отличный пример того, как фундаментальное понимание биохимических процессов может привести к прорывным практическим решениям. Удвоение точности биосенсоров без усложнения их конструкции открывает двери для более доступного и точного мониторинга здоровья, а также для «умного» сельского хозяйства. В 2025 году, когда технологии носимых устройств и прецизионного земледелия активно развиваются, такое открытие особенно своевременно.